A fotoszintézis molekuláris biológiája

1. A fotoszintézis molekuláris biológiája

2. A fotoszintézis két fő szakasza: a fényreakciók és a sötét reakció

3. A folyamat jelentősége • Az élővilág energiaforrása • Szerves anyagok előállítása szervetlenekből • Az ábrán a keményítő szemcsék láthatók • A Föld légkörének oxigéntartalma ebből a folyamatból ered

4. A Földre érkező napsugárzás spektruma

5. 1. Fényszakasz: A fényt fotoszintetikus pigmentek abszorbeálják A fényt abszorbeáló pigmentek a cianobaktériumokban és magasabbrendű növényekben: Kolorofill a, b Karotinoidok Fikobilinek (cianobaktériumokban és vörösmoszatokban)

6. A fotoszintétikus pigmentek elnyelési spektruma a fény látható tartományában (380 és 760 nm) a különböző hullámhosszúságú sugarak felfogása a növényi anyagok pigmentjei által • Hatásspektrum (grafikon) a fotoszintézis mértékét mutatja (pl. fotoszintétikus oxigéntermelés), - azt, hogy a különböző hullámhosszúságú fénysugarak mennyire hatékonyak a fotoszinétikus folyamatokra • A prizmával alkotóelemeire bontott fehér fény kék és vörös hullámhosszú komponenseivel megvilágított régió köré gyűlnek az aerob baktériumok a fotoszintetizáló Spirogyra körül Elnyelési spektrum hatásspektrum

7. Akcióspektrum

8. A fotoszinetikus apparátus morfológiája • A prokarióta szervezetekben (pl. cianobaktériumok) a tilakoidok nem határolódnak el a sejt többi részétől. • A sejtmagot tartalmazó, eukarióta, szervezetekben (pl. zöld növények) a tilakoidok egy különálló sejtszervben, az ún. kloroplasztiszban találhatók. • A fotoszintetikus apparátus alapvető struktúrális egysége a tilakoid. • - Ezek önmagukba záródó membránok, melyeknek belső tere az ún. lumen.

9. A levél keresztmetszete • a kloroplasztiszok az ún. mezofill sejtekben, valamint a légzőnyílásokat körülvevő záró (ún. quard) sejtekben találhatók • C4-es növények esetén a levélereket körülvevő hüvelyparenhima sejtekben is találhatók kloroplasztiszok. A sejtek és kloroplasztiszok elhelyezkedése egy C3-as növényben

10. A fotoszinetikus apparátus morfológiája • A tilakoidok kétféle szerveződésű formában találhatók: - a granumok külső felületükkel egymáshoz ragadt tilakoidok oszlopszerű képződmények és - a granumok közötti térben - a sztrómában (az őket) összekötő tilakoid lamellák. • A klp-iszt kettős membrán veszi körül: - a belső a bekebelezett prokarióta sejt membránja - a külső eukarióta eredetű A kloroplasztisz elektronmikroszkópos képe és szerkezeti modellje

11. A fotoszinetikus apparátus morfológiája • A kloroplasztiszok csak fény hatására differenciálódnak a merisztemasejtek proplasztiszaiból. • Kialakulásuk során a 2 határolómembrán közül a belső, az organellum hossztengelyével párhuzamosan betüremkedik a sztrómába, majd ezek a belső mebmr.-lemezek lefűződnek, magukba zárva a membránközi (periplasztidális) térből eredő anyagok egy részét, amiből a tilakoidlemezek membránnal körülzárt lumenje jön létre, anélkül, hogy a sztrómával valaha is kapcsolatba kerülne • A tilakoidok összefüggő membránrendszert alkotnak. • A fotoszintetikus pigmentek csak a tilakoid membr.-ban vannak jelen • A tilakoidmembr.-ok szabályos kitüremkedéseket képezve pénztekercs szerűen egymásra tevődött korongokat, ún. granum korongokat hoznak létre - egy granumkorongköteg a gránum. A tilakoid membránok egymást fedik, szorosan egymásra tevődnek(kapcsolt membránok)

12. Folyékony közege a sztróma – benne enzimek, keményítőszemcsék, DNS és riboszómák • A sztróma a prokarióta cp-jának felel meg, benne a Calvin ciklus enzimeivel. • Membránrendszere tilakoidokból áll – ezek helyenként gránumokba rendeződnek. • A tilakoidok belső üregei egy összefüggő, lumen nevezetű hálózatot alkotnak • Membránlipidjeik glikozil-gliceridek: nagyobbrészt a MGDG- gránumtilakoidokban, a DGDG-sztrómatilakoidokban helyezkednek el A kloroplasztisz szerkezete

13. A fotoszint. komplexei (I es II fotokémiai rendszer, citocróm b6f komplex, az ATP-áz és a mobilis fénybegyűjtő antenna) a tilakoid membránba ágyazódva találhatók • A fotoszintetikus komplexek eloszlása a tilakoid kompartmentekben nem egyenletes - a második fotokémiai rendszer (PSII) főként a gránumokban, - az első fotokémiai rendszer (PSI) és az ATP-áz főként a sztróma tilakoidokban illetve a gránumok külső részén található. • Fény hatására a tilakoid belső terében, a lumenben, megnő a H+ koncentráció, ami az ATP szintézisben hasznosul. A kloroplasztiszon belül jól láthatók a grána- és a sztrómatilakoidok, valamint a nagyméretű keményítő szemcse van

15. A fotoszinetikus apparátus morfológiája • Afotoszintézis fényszakaszának folyamataiban a tilakoid-membránok 5-féle szupramolekuláris fehérjeegyüttese vesz részt: • -A kettes fotokémiai rendszer PS II (photosystem II), • a hozzá kapcsolódó vízbontó komplexszel (Water-splitting complex-WPC, v. Oxigen evolving complex -OEC), a citocróm b6/F komplex, • Az egyes fotokémiai rendszer PS I (photosystem I), • A kétféle fotokémiai rendszerhez kapcsolódó fénybegyűjtő pigment-protein komplex (Light harvesting complex –LHC), • A kloroplasztban levő ATP-szintetáz kapcsolófaktor (CF1-CFo v. CF1Fo) komplex

16. A fénybegyűjtő pigmentek: Klorofill porfirin • Porfirin gyűrű – négy pirrolgyűrűből áll • A négy pirrolgyűrű mellett egy öttagú ciklopentanon gyűrű található • A konjugációs rendszer kékkel jelölve • Magnézium ion – Mg++ - narancs • Észter kötéssel csatlakozó fitol – zöld • Ez a klorofill a – a többi klorofill kicsit különbözik. propionsavgyök

17. A fotoszintetikus szervezetek legjellemzőbb pigmentjei a klorofillok, amelyek - a kék ill. vörös tartományban nyelnek el. • A gyűrű közepén egy Mg atom található, a 4-es számú pirrolgyűrűhöz pedig egy 20 szénatomos alkohol, a fitol, csatlakozik • A klorofillok • - első gerjesztett állapotához vörös (430nm), • - második gerjesztett állapotához pedig kék (660 nm) abszorpciós sáv tartozik Klorofillok A klorofill-a és klorofill-b szerkezete

18. A karotinoidok járulékos pigmentek • Az oxigéntermelő szervezetek reakció-centrumaiban, valamint a prokarióták antennáiban a klorofillok mellett karotinok is találhatók, amelyek a kék tartományban (400-500 nm körül) nyelnek el. • A karotinok ún. járulékos pigmentek - feladatuk: • - a hatékonyabb fényelnyelés elősegítése, • - a klorofill molekulákat védik a gerjesztett állapotban • bekövetkező fénykárosodástól.

19. A kloroplasztisz szerkezete • A tilakoidok két formája a sztróma tilakoid és a grána tilakoid. • Ez a két forma a molekuláris szinten is különbözik.

20. A pigment-protein komplexek rendezetten helyezkednek a tilakoidmembránban

21. A gerjesztett állapot energiája • kisugárzódhat: • fény (fluoreszcencia) vagy • hő formájában, melyek a fotoszintézis szempontjából veszteséget jelenthet. • Átadódhat szomszédos általában alacsonyabb gerjesztési energiájú pigment molekuláknak, igen nagy szerepeük van • a gerjesztési energiának a reakciócentrumhoz való továbbításában. Illetve, • a gerjesztett állapotban lejátszódhat a töltésszétválást eredményező fotokémiai reakció A fényenergia abszorpciója

23. Az oxigéntermelő fotoszintetizáló szervezetekben univerzálisan megtalálható: - a klorofll-a, amelynek kék ill. vörös abszorbciós maximuma 430 ill. 660 nm körül van. Ezek a molekulák a fénybegyűjtés mellett fotokémiai reakcióra is képesek. • Mind a PSI, mind a PSII reakciócentrumábanspeciális klorofill-a molekulák, valószínűleg dimerek vagy multimerek, alkotják a fényindukált töltésszétválásban résztvevő ún. reakciócentrum klorofillokat. • A prokarióta cianobaktériumokban csak klorofill-a fordul elő. Az eukarióta fotoszintetizáló szervezetek antenna komplexeiben azonban a klorofill-a mellett egy másik tipusú klorofill is található, ami a klorofill-a kék és vörös abszorpciós sávjai közötti spektrumtartomány jobb lefedését szolgálja. • Magasabb rendű növényekben és zöldalgákban az extra klorofill a klorofill-b, ami a klorfill-a-tól csak annyiban különbözik, hogy a második pirrolgyűrűhöz nem metil, hanem formil csoport kötődik. • A barna- és kovamoszatokban a klorofill-b helyett klorofill-c, a vörös algákban pedig klorofill-dtalálható.

24. A fény abszorpciója és a gerjesztési energia sorsa • Fotoszintetikusan aktív fény ~ 400-700 nm-ig • Klorofill molekula: alapállapot (S0), • Egy p-elektron kötő pályáról lazító pályára lép. szinglet (S1- és S2-) és triplet (T1) állapotok vörös fény elnyelése: S1 állapot kék fény elnyelése: S2 állapot • A gerjesztési energia sorsa: hővé alakul, fluoreszcencia, fotokémiai reakciók (redox folyamatok) energia migráció vagy energia transzfer (azonos vagy kémiailag eltérő pigmenteknek adódik át az energia)

25. A klorofill fluoreszcenciája akkor is a vörös hullámhossz tartományba esik, ha kék fényt nyel el • Ok: az S2-S1 átmenet mindig hő formájában disszipálódik

26. A fotoszintézis első lépése a fény elnyelése, ami fehérjékhez kötött pigment molekulák révén történik. • A pigmentekben bekövetkező fényelnyelés a molekulát gerjesztett állapotba hozza (ez a fotoszintetikus pigmenteknél az 1. vagy 2. szinglett gerjesztett állapot). Az antennapigmentek az elnyelt fényenergiát a reakciócentrum klorofill a felé továbbítják Energiagazdag RC Energiaszegény A fényenergia vándorlása: antenna pigmentek között: külső és belső antennák reakciócentrumok klorofill a molekulájához: II. fotokémiai rendszer: P680, I. fotokémiai rendszer: P700

27. Energiaátadás két pigment molekula között akkor történik, ha a donor molekula abszorpciós vagy fluoreszcencia spektruma részben fedi egymást

28. Energia migráció, energia transzfer és fotokémiai folyamatok • Az antenna klorofillok gerjesztett állapotba kerülnek a fényabszorpció következményeként • Energia átadás: rezonancia • Energia továbbadás elektron átadás által oxidáció és redukció

29. A zöld növények, algák és cianobaktériumok fotoszintézisében elsősorban hasznosuló spektrumtartomány 400 és 700 nm között található, amit fotoszintetikusan aktív sugárzásnak (Photosynthetically Active Radiation, PAR) neveznek. • A nemoxigéntermelő baktérimokban található baktérioklorofillokabszoipciója az infravörös tartomány felé tolódott (900-1000 nm) a víz alatti fényviszonyokhoz való alkalmazkodás eredményeként. • A fénybegyűjtő pigmentek protein vázhoz kötődve antenna komplexekbe szerveződnek. • Mind a PSI mind a PSII komplex rendelkezik belső antennával, ami a reakciócentrum része illetve ahhoz szorosan csatlakozik. • Mindkét fotokémiai rendszerhez tartozik még egy-egy külső antenna komplex is. - LHCI (Light Harvesting Chlorophylls) az LHCI az első fotokémiai rendszerhez kötődik, míg az - LHCII, a fotoszintézis fényigényétől függően a PS II-hözkapcsolódik vagy leválik róla, ilymódon szabályozva a PSII-höz juttatott energia mennyiségét.

30. A fénygyűjtő komplex és a reakciócentrum • A fénygyűjtő komplex (LHC II. és I.) a kísérőpigmentek által elnyelt fényenergiát a reakciócentrum klorofillokhoz közvetíti. • A fénybegyűjtő komplexek pigmentjei magasabbrendű növényekben klorofill a és b, karotin és xantofill molekulák, gyakran fehérjékhez kötődve találhatók. • A gerjesztett pigmentek energiája rezonancia által átadódik a reakciócentrumba. A fényenergia kémiai energiává alakulása: töltésszeparációval Donor Kla Akceptor; Donor KlaAkceptor Donor Kla  Akceptor; Donor Kla Akceptor

31. Energiaszint változások a fotoszintézis folyamán • Minél nagyobb az anyag redukálóképessége, annál negatívabb a redox potenciálja • Az első fényreakció a PS II ben történik (680 nm) • Az elektron energiája csökken az elektrontranszport során • Újragerjesztés a PS I-ben (700 nm). • Energia tárolás ATP és NADPH formájában

32. Az elektrontranszportlánc két formája • A nem ciklusos elektrontranszport (Z séma) • A ciklikus variációban a ferredoxin a citokróm b6/f komplexnek adja át az elektront. • A fény ily módon a PSI egyedüli részvételével körbe hajtja az elektronokat és így hoz létre H+ koncentráció-különbséget a sztróma és a luminális tér között. Ez ATP szintézisre használódik fel.

33. ferodoxin

34. 1. A PS II felépítése • - reakciócentrum: • D1 és D2 fehérjék: ehhez kapcsolódnak a feofitin (primer e- akceptor), a QA és QB kinon akceptorok, D1 fehérje 161. tirozin aminosava (primer e- donor Mn2+, Mn3+ ionok (vízbontás) • - reguláló sapka • - proximális antenna • - disztális antenna • 2. Funkciói • vízbontás: • 2H2O  O2 +4H+ + 4e- • proton keletkezik a lumenben, • elektron lép az e- transzportláncba • a plasztokinon redukciója

35. A magasabbrendű fotoszintetizáló szervezetek (zöld növények, algák és a cianobaktériumok) a természetben egyedülálló képessége a víz fényindukált elbontása protonokká és molekuláris oxigénné. • E folyamat révén a Földön kimeríthetetlen mennyiségben rendelkezésre álló víz szolgál a fotoszintetikus elektrontranszport forrásaként. • Melléktermékként pedig a magasabbrendű szervezetek számára nélkülözhetetlen oxigén keletkezik. • A fényindukált vízbontást a tilakoid membránba ágyazódott nagyméretű pigment-protein komplex, az ún. második fotokémiai rendszer (PSII) katalizálja. - a folyamat során keletkező elektronokat a membrán lipid fázisában diffundáló plasztokinon (PQ) molekulák továbbítják a citokróm bf komplex felé, - a tilakoid lumenbe bocsátott protonok pedig a transzmembrán proton gradiens kialatításához járulnak hozzá.

36. Amásodikfotókémiai rendszer szerepe a fotoszintetikus elektrontranszportban

37. A PSII reakciócentrumát a D1 és D2 fehérjékből álló heterodimer alkotja, amihez kötődnek a fényindukált elektrontranszport redox komponensei. • A reakciócentrumhoz közvetlenül csatlakozik, és feltehetően annak integráns részét képezi a citokróm b-559. • Ez a redox fehérje két alegységből áll és egy hem csoportot tarralmaz. • A PSII belső antennáját két, klorofill-a-t kötő protein alegység, a CP43 és CP47 alkotja. • Külső antennaként a klorofill-a-t és klorofill-b-t kötő LHCII (vagy LHCb) szolgál, ami a PSII komplexhez elektrosztatikus kölcsönhatás révén kapcsolódik. • A redox-aktív és klorofillkötő alegységek mellett a PSII tartalmaz még számos kisebb méretű, membránba ágyazódott alegységet is, amelyek feltehetően strukturális szerepet játszanak. • A komplex lumenális oldalán található három vizoldékony protein, amelyek a vízbontó rendszer kialakításában játszanak strukturális szerepet.

38. A PSII szerkezete kicserélni

39. Az elektrontranszportlánc felépítése • - membránhoz kötött komponensek • PS II, • citokróm b6/f komplex, • PS I, • ferredoxin-NADP+ reduktáz • - mobilis komponensek • plasztokinon pool, PQH2 (membránban, PS II és citokróm b6/f komplex között) plasztocianin, PC (lumen, citokróm b6/f komplex és PS I. közt) ferredoxin (PS I. és ferredoxin-NADP+ reduktáz között)

40. A citokróm b6/f komplex felépítése • A két fotokémiai rendszer közötti elektrontranszportot a citokróm b6f komplexközvetíti. • Funkciója a kétszeresen redukált plasztokinon PQH2 oxidációja és az elektronok továbbítása a plasztocianin közvetítésével a PSI felé. • Ezen elektrontranszport folyamat során a cit. b6f complex protont pumpál a sztrómából a tilakoid lumenbe és így fontos szerepet játszik a membrán két oldala között fény hatására kialkuló proton gradiens létrehozásában. • A komplexnek három, redox funkcióval rendelkező alegysége van: - a citokróm-bb, ami egy alacsony és magas potenciálú hem csoportot (bL és bH) tartalmaz; - a citokróm-f, ami egy hem csoportot csoportot tartalmaz; továbbá - egy vas-kén protein, aminek redox-aktív eleme - egy Fe2S2 centrum.

41. citokróm b6f komplex • Az izolált komplex dimer szerveződést mutat, amelynek teljes molekulatömege kb. 210 kDa. • A dimer forma aktivitása kb. 5-6-szor nagyobb mint a monomer formáé, ami arra utal, hogy a tilakoid membránban található aktív komplex is dimer. • A b6f komplex érdekes tulajdonsága, hogy egy szorosan kötődő klorofill-a molekulát tartalmaz, amelynek szerepe egyenlőre nem ismert.

42. A citokróm b6/f komplex működése oxidálja a PQH2-t, redukálja a PC-t a ciklusos elektrontranszportban oxidálja a ferredoxint proton átadást közvetít a sztrómából a lumenbe

43. Az első (PSI) fotokémiai rendszer • Az oxigéntermelő fotoszintetikus szervezetekben két fotokémiai rendszer működik: - a második fotokémiai rendszer funkciója a víz fényindukált elbontása. • E folyamatból származó elektronok mobilis plasztokinon molekulák közvetítésével, a citokróm b6f komplexen keresztül jutnak az első fotokémiai rendszerhez (PSI). • A PSI alapvető funkciója a Calvin ciklusban hasznosuló NADPH termelése, ami PSI lineáris elektrontranszportjának eredménye. • Emellett a PSI körül lejátszódhat ciklikus elektrontranszport is, amelynek során protonok pumpálódnak a sztrómából a tilakoid lumenbe. • Az így kialakult H+ grádiens ATP szintézisben hasznosul.

44. A PS I. felépítése és működése • Reakciócentrum: • 2 db centrális fehérje • P700 klorofill-a • elsődleges (Kla) és másodlagos (K-vitamin) • akceptorok • vas-kén centrumok • PC és ferredoxin kötő fehérjék • Nem ciklusos elektrontranszport: az e- a NADP+ felé, • Ciklusos elektrontranszport: e- a citokróm b6/f komplex felé • Ferredoxin, ferredoxin-NADP+ reduktáz, NADP+ • Eredmény: NADPH + H+

45. A PSI szerepe a ciklikus (elektrontranszportban

46. A PSI szerepe a lineáris elektrontranszportban

47. A H+-koncentrációkülönbség és az ATP képződés • A két folyamat a mitokondriumban és a kloroplasztiszban hasonló módon játszódik le. • Mindkét esetben az ATP szintézis egy protontranszlokáló enzim, az ATP szintáz, segítségével megy végbe. • A protonáramlás a magasabb, lúgosabb pH felé tart • Az enzim aktív helyei a „gomba fejében” helyezkednek el. • Az ATP a mitokondriumi matrixban illetve a kloroplasztisz beli sztrómában keletkezik.

48. A fotoszintetikus foszforiláció: kemiozmotikus modell proton elektrokémiai potenciálgrádiens a lumen és a sztróma között: ezt használja fel az ATP- szintáz enzim az ATP szintézisére ADP-ből és anorganikus foszfátból

49. Az ATP szintézis folyamatának sémája, amely szerint az ATP-áz működésének hajtóereje a transzmembrán proton gradiens

50. 2. A fotoszintézis sötét szakasza: Calvin ciklus Jelzett, H14CO3- adagolásával a széndioxid fixálás elsődleges termékei kimutathatók